基于砂泥巖地層采空區鉆孔偏斜率的統計研究

黨東生

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

1 概述

在鉆探工程中，鉆孔偏斜普遍存在，特別是在復雜地質條件下的深孔鉆探中，鉆孔偏斜更加嚴重。而鉆孔能否達到目標預定區域對工程的成敗起到關鍵性的作用。鉆孔偏斜率的影響因素很多，不同條件下的鉆孔偏斜率不盡相同。本文結合工程實例，對實測數據進行統計計算分析，得出不同深度鉆孔的鉆孔偏斜率均值，其反映了此類設備在該類地層中的社會正常鉆探水平；并通過分析不同區段鉆孔偏斜率進而推斷地層特征及其擾動情況。其可為類似工程活動提供一定的參考依據和工程借鑒。

2 計算原理

鉆孔在鉆進過程中的實際運動軌跡是一個三維曲線。鉆探過程中一般采用測斜儀沿鉆孔軌跡等間距測量。測斜儀每次可直接測量得到測點處的偏斜角和偏斜方位角，每個點的數值反映該測點距離上下測程之半范圍，也就是代表該點上下之半點距的鉆孔傾斜趨勢。

根據直接測量成果可計算出當前鉆進深度處鉆孔鉛垂投影長度（即孔底實際高程）和鉆孔水平投影長度（孔底落點相對孔口的偏移距離），進而計算出鉆孔偏斜率。

對鉆孔偏斜率的計算，一般采用解析幾何法，假設鉆孔每個測點之間（第一個測點與孔口）的軌跡為直線。

測點在東西方向上的偏距為：

測點在南北方向上的偏距為：

yi=li·sinθi·cosαi

測點相對孔口的偏距為：

同理，得鉆孔鉛垂投影長度為：

則，某測點處鉆孔偏斜率：

式中：li——測點與上一個測點（孔口與第一個測點）之間的連線；

θi——測點測量偏斜角；

αi——測點測量偏斜方位角。

3 工程實例

3.1 項目概況

某采空區治理項目，條帶式開采，有兩個采區，開采寬度50m，長度分別200m 和500m。采空區處于非充分采動、不充分垮落、全部充水狀態，采空區內部仍存在較大空間或裂隙。

注漿鉆孔沿采區長度布置，鉆孔間距15m。鉆孔結構：開孔孔徑150mm，終孔孔徑不小于91mm，變徑位置：鉆進至基巖20m，鉆孔孔深：以設計孔深作為控制，且應進入采空區（或煤層）底板不小于3m。

采空區平均埋深538.8m，覆蓋層平均厚度256.8m，基巖平均厚度274.9m，采厚2.8m，采空區地下水平均埋深455.7m，水位平均高程-417.37m。

項目區域地層由上至下主要為：

（1）第四系（Q）：該層包括更新統和全新統。主要由粘土、砂質粘土、粘土質砂、砂及砂礫層組成，屬河、湖相沉積。平均厚度256.78m。

（2）上二疊統上石盒子組（P2sh1）：主要由黃綠、灰、紫紅等雜色泥巖、粉砂巖及灰綠色砂巖組成，屬干熱條件下的河流、湖泊相沉積。該層平均厚度190.7m，泥巖占50%以上，與下石盒子組呈整合接觸。

（3）下二疊統下石盒子組（P1sh1）：主要由黃綠、灰綠、灰、紫等雜色泥巖、粉砂巖、灰綠色砂巖組成，屬干熱條件下的河流、湖泊相沉積，以本組底部為一層不穩定的中粗粒砂巖與下伏山西組地層呈整合接觸。該層平均厚度56.12m。

（4）下二疊統山西組（P1s）：主要由淺灰、灰白及灰綠色砂巖，深灰、灰黑色粉砂巖，泥巖及煤層組成，該層平均厚52.37m，未穿透。

根據項目區巖土體工程地質特征及成因，可將其劃分為三大巖類、五大巖層組，其巖土性質如表1所示。

表1 巖（土）體工程地質分類表

3.2 鉆探及測量設備

（1）鉆探設備。項目鉆孔實施設備選用TXB-1600 型鉆機和TXJ-1600 型鉆機進行鉆進，總計20 臺鉆機，每臺鉆機主要崗位人員均配備具有多年從業經歷，經驗豐富的老技術工人。

（2）測斜設備。測斜儀選用上海力擎地質儀器有限公司KXP-3D 型數字羅盤測斜儀，如圖1 所示。其偏斜方位角分辨率為0.1°，偏斜角分辨率為0.01°，儀器適用于直徑大于?46mm 的非磁性巖層和礦層鉆孔內測斜。

儀器通過無線手持設備測量探棒在鉆孔內任意位置的測斜數據。儀器結構利用鉛垂和大地磁場方法分別測量鉆孔的偏斜角與偏斜方位角。儀器共分兩部分，井上地面控制儀和井下測斜儀探管，其工作原理是利用平衡電橋測量電路。

3.3 測斜成果計算與分析

項目所有實施鉆孔均超過500m，實施過程中，開孔后每百米測斜一次，測至終孔，測斜位置分別為100m、200m、300m、400m、500m 及終孔深度。每次測量可直接測得鉆孔的偏斜角θ和偏斜方位角α。依據測量成果及第2節計算原理計算鉆孔偏斜率。

據現場測量，取18#鉆孔作為算例，其100m 處，測量偏斜角0.3°，偏斜方位角87°；200m 處，偏斜角0.4°，偏斜方位角88°；300m 處，偏斜角1.3°，偏斜方位角17.6°；400m處，偏斜角0.5°，偏斜方位角31°；500m處，偏斜角1°，偏斜方位角10.5°；543.5m處（終孔深度），偏斜角1.8°，偏斜方位角13°。依據測斜成果，列表計算得出18#鉆 孔 在100m、200m、300m、400m、500m 及543.5m 處（終孔深度）的鉆孔偏斜率分別為0.52%、0.61%、0.97%、0.95%、1.08%、1.24%，其如表2所示。

表2 18#鉆孔測試數據計算表

在巖土工程參數統計中，算數平均值可以作為某批數據的典型代表，用于反映資料分布的集中情況或中心趨勢。故本次數據統計以算數平均值作為統計對象。

本次研究應用項目實施過程中采集的84個鉆孔的測斜數據進行統計分析，計算出其在100m、200m、300、400m、500m及終孔深度處的鉆孔偏斜率均值，即100m處鉆孔偏斜率均值為0.60%；200m 處鉆孔偏斜率均值為0.73%；300m處鉆孔偏斜率均值為0.89%；400m處鉆孔偏斜率均值為0.98%；500m 處鉆孔偏斜率均值為1.21%，終孔深度543.5m處鉆孔偏斜率為1.36%。其曲線走勢如圖2所示。

為便于對比特別定義鉆孔偏斜率變化率，其定義為后一測段與前一測段鉆孔平均偏斜率每米的變化值。故計算出每一測量回次的平均鉆孔偏斜率變化，如表3所示。

表3 平均鉆孔偏斜率隨深度的變化率

據表3，統計平均鉆孔偏斜率在0～549m內隨鉆孔深度呈正增長，其變化率在0～100m范圍內增幅最大，1000～400m 范圍內波動增長，但其變化率相對較小；在400m至終孔范圍內變化率相對突然增大。

4 結論

（1）砂泥巖地區，相似條件下采空區鉆孔，0～100m 范圍內鉆孔偏斜率均值為0.60%；0～200m 范圍內鉆孔偏斜率均值為0.73%；0～300m范圍內鉆孔偏斜率均值為0.89%；0～400m 范圍內孔偏斜率均值為0.98%；0～500m 范圍內鉆孔偏斜率均值為1.21%；0～549m范圍內鉆孔偏斜率均值為1.36%。以上數值可以作為此類地層采空區鉆孔偏斜率的控制參考值。

（2）實測范圍內，鉆孔偏斜率隨鉆孔深度的增加而逐漸增大，但在不同的段位其鉆孔偏斜率變化率明顯不同。

（3）0～100m 范圍內，鉆孔偏斜率增速較大，分析其原因，一是100m 范圍內地層松散，導致鉆孔偏斜率較大；二是100m范圍內鉆桿配重較輕。

（4）100～400m范圍內鉆孔偏斜率變化率較小，基本穩定。該范圍內地層相對比較穩定，受外界擾動較小。

（5）400m 至終孔，鉆孔偏斜率變化率突然增大。結合地層綜合分析，其原因為400m至終孔范圍內由于受采空區影響，巖層破碎，導致鉆孔偏斜率增速較大。